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科普加油站(29)“脑机接口”技术:让“脑控”成为现实

2021年11月10日       信息来源:科普中国

科学来源于幻想,这话有一定道理。电影《阿凡达》的男主角是一位坐在轮椅上的残障人士。然而,他却可以用思维去控制一具人造的“外星人”躯体,演绎了一场“心灵感应”的神奇。电影《环太平洋》中,“机器人”大战外星球怪兽的视觉盛宴,更是让钢铁之躯的机器人获得了人脑的智能。

这些神奇科幻情景,如今正逐步变成了现实,2014世界杯开幕式上,来自巴西的一名残疾人利用脑控技术完成了首次开球,向全世界观众展示了脑科学发展的魅力。这得益于“脑机接口”技术的发展。自上世纪70年代“脑机接口”技术诞生以来,经过近半个世纪的发展,研究人员现在已经能够实时捕捉大脑中的复杂神经信号,并用它直接控制外部设备,使得人和机械,可以作为一个生命的不同组成部分而共存,它让人脑思维控制外部物体不再是幻想,电影中科幻情景正逐步走进人们的生活,并越来越受到世界各国科学家和政府的高度重视。国际脑研究组织宣布,21世纪是“脑科学时代”。

外部设备:如何读懂大脑神经信号

作为脑科学的一个分支,“脑机接口”技术十分复杂。人的大脑是一个高度复杂的信息处理系统,它由数十亿的神经元通过相互连接来进行信息交流,以整体协调的方式来完成各种各样的认知任务。

在人类进化过程中,科学家们发现,当一个人的大脑在进行思维活动、产生意识或受到外界刺激(如视觉、听觉等)时,伴随其神经系统运行的还有一系列电活动,从而产生脑电信号。“脑机接口”技术就是通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电信号,经过放大、滤波等方法将其转化为可以被计算机识别的信号,从中辨别出人的真实意图。其核心技术包括大脑神经生物信号采集技术、大脑神经生物信号处理技术、人机高效协同技术。

与其它通讯及控制系统一样,“脑机接口”系统主要由输入、输出、信号处理和转换等功能环节组成。输入信号是来自人脑头皮或脑表面记录的脑电信号,以及大脑内记录的神经元电活动。输出信号是由人脑思维转换形成的控制外部设备的具体操作想法。信号处理就是通过对源信号的处理分析、特征提取和功能分类,从而产生操作驱动指令,通过物理传输装置实现与外界的有效交流。

也就是说,人脑想执行某项操作,不需要通过肢体动作,可通过“脑机接口”技术,让外部设备读懂大脑的神经信号,并将其思维活动转换为指令信号,就可以实现对外部物理设备的有效控制,从而实现由人脑思维执行操作。

意念控制:从科幻逐步走向实现

在科学领域,越是复杂的东西越能够引起科学家的研究兴趣,“脑机接口”技术也是这样。自1973年美国科学家维达尔首次提出这一命题后,它便成为脑科学与认识科学领域一个极具潜力的前沿研究方向,科研人员经过几十年的研究和试验,已取得一系列突破性进展。

1988年,美国科学家法威尔和杜切尔实现了用大脑控制实现了虚拟打字机操作。瑞士科学家加朗(F. Galán)领导的研究团队通过对人脑左/右手运动思维产生的神经信号,通过相应的智能控制系统,实现了轮椅按人脑意识控制行走,使残障人在不需要他人辅助下,自主完成轮椅的运动控制。2006年,日本筑波大学山海嘉之领导的团队研制出“混合辅助腿”。不仅能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走、毫不费力地爬楼梯,而且可以托起40公斤的重物。2013年3月,英国艾塞克斯大学的研究人员开发出第一种用于控制飞船模拟器的“脑机接口”装置,美国航空航天局的科研人员为这个电极帽创建了一套计算机模拟程序,将它戴在头上后,通过人脑意念即可控制飞船的模拟飞行。

在我国,国防科技大学认知科学基础研究团队经过20多年的研究,现在已实现让机器人按照人脑的思维自由行走或执行某项操作。安装有“脑机接口”装置的汽车,可以不通过人的肢体操作,通过采集的大脑神经信号,按照人脑的思维意识启动、加减速或转弯,时速可达到5至10公里。

不过,这些研究成果大多数仍处于试验阶段,目前,“脑机接口”技术仅在医疗康复、神经疾病诊断等方面获得了成功应用。

军事应用:美国一马当先着力研发

脑机接口技术作为一种新型的人机交互方式,它为武器装备操控提供了全新的智能化发展方向。实现人脑对武器装备的直接控制,赋予武器装备“随心所动”的智能化特征,正成为西方军事强国追求的目标。

新世纪之初,美国就开始探讨“脑机接口”技术的军事应用,美国防部投入巨资研究武器与人的相互作用机理,研究用人的意念控制的机器人士兵,以降低战争伤亡率。2004年,美国国防部国防先进技术研究署(DARPA)投入2400万美元资助美国杜克大学神经工程中心等6个实验室进行了“思维控制机器人”的研究工作,还联合商业研发机构和地方政府开展了脑听器、心灵及生理响应系统、无线电催眠发生器等多项“脑机接口”技术产品的研发工作。其“认知技术威胁预警”项目,已经获得了初步科研成果,可使士兵能够在2~3秒内识别视场范围内100个威胁目标。美空军则利用“脑机接口”技术研究肌体协同控制技术,以提高战斗机飞行员的快速反应能力。

2013年,美国防部在其预算报告中披露了一项名为“阿凡达”的研究项目,计划在未来实现能够通过意念进行远程操控“机器战士”,以代替士兵在战场上作战,遂行各种战斗任务。

未来,随着“脑机接口”技术的发展,利用大脑意识活动实现武器装备操控,赋予武器装备“随心所动”智能化操作,替代士兵执行特殊作战任务,将不再是神话。

前景广阔:人类加速迈入脑科学时代

脑科学的目的在于揭示大脑智能的本质,其研究与应用具有广阔应用前景,世界各国纷纷投入人力和资金加紧研究。20世纪90年代,美国率先提出“脑的十年计划”,欧盟成立“欧洲脑的十年”委员会,国际脑科学组织也采取一系列举措推动脑科学研究。1995年,日本政府宣布投入200亿美元实施“脑科学时代”计划,把“认识脑、保护脑、创造脑”作为脑研究三大目标。2013年4月2日,美国总统奥巴马正式宣布开展人脑研究计划,该项研究的启动基金达到1亿多美元。同年,欧盟计划投入10亿英镑启动为期10年的“欧洲人类大脑研究计划”,希望能模拟一个完整的大脑功能,加深对大脑的认识。目前,西方的著名大学几乎都设有脑科学研究机构,一些企业也纷纷加入研究行列。

在我国,脑科学与认知科学被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的八大前沿科学问题之一,强调要加强“脑发育、可塑性与人类智力的关系”研究。2013年,作为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一的“中国脑计划”正式启动。

21世纪被许多科学家称为“生命科学、脑科学的百年”,认知神经科学奠基人之一的葛詹尼加(Gazzaniga)称21世纪为“脑研究世纪”。 随着脑科学和认知科学的兴起和发展,以人类为中心的认知和智能活动的研究已进入到新的阶段。(作者:胡德文 来源:国防科技大学“科普中国”共建基地)

 
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